Summary
Espectros de tecido óptico são ferramentas essenciais para calibração e caracterização de sistemas de imagem ópticos e validação de modelos teóricos. Este artigo detalha um método para a fabricação de fantasma que inclui replicação das propriedades ópticas do tecido e a estrutura do tecido tridimensional.
Abstract
O rápido desenvolvimento de novas técnicas de imagem ópticos é dependente da disponibilidade de padrões de baixo custo, personalizáveis e facilmente reproduzíveis. Replicando o ambiente de imagens, experiências com animais dispendiosas para validar uma técnica podem ser contornadas. Prevendo e otimizando o desempenho do in vivo e ex vivo , técnicas de imagem requerem testes em amostras que são opticamente semelhantes aos tecidos de interesse. Tecido-imitando espectros ópticos fornecem um padrão para avaliação, caracterização ou calibração de um sistema óptico. Espectros de tecido óptico de polímero homogêneo são amplamente utilizados para imitar as propriedades ópticas de um tipo de tecido específico dentro de uma faixa espectral estreita. Em camadas de tecidos, tais como a epiderme e a derme, podem ser imitados por simplesmente empilhando estes fantasmas laje homogênea. No entanto, muitos na vivo de imagem técnicas são aplicadas a mais tecido espacialmente complexo onde estruturas tridimensionais, tais como vasos sanguíneos, vias aéreas ou defeitos do tecido, podem afetar o desempenho do sistema de geração de imagens.
Este protocolo descreve a fabricação de um phantom imitando-tecido que incorpora a complexidade estrutural tridimensional usando material com propriedades ópticas do tecido. Look-Up tabelas fornecem receitas de tinta nanquim e dióxido de titânio para absorção óptica e alvos de dispersão. São descritos métodos para caracterizar e ajustar as propriedades de material ópticas. A fantasma fabricação detalhada neste artigo tem um vazio de simulação aérea ramificação interna; no entanto, a técnica pode ser amplamente aplicada a outras estruturas do tecido ou órgão.
Introduction
Espectros de tecido são amplamente utilizados para a caracterização do sistema e calibração de instrumentos óticos de imagem e espectroscopia, incluindo sistemas de multimodalidade incorporando ultra-som ou modalidades nuclear1,2,3 ,4. Os Phantoms fornecem um ambiente controlado de óptico para caracterização do sistema e controle de qualidade de várias técnicas de imagem biológicas. Tecido-imitando phantoms são ferramentas úteis em predizer o desempenho do sistema e otimizar o design do sistema para a tarefa fisiológica à mão; por exemplo prever a profundidade de sondagem espectroscópicas sondas para avaliar tumor de margem das5. Propriedades ópticas e projeto estrutural dos phantoms podem ser ajustados para imitar o ambiente fisiológico específico em que o instrumento será usado, permitindo, portanto, para estudos de viabilidade e verificação de desempenho de sistema3, 6,7. Verificação do desempenho do sistema com espectros ópticos realistas antes de entrar em ensaios pré-clínicos ou clínicos de imagem reduz o risco de mau funcionamento ou a aquisição de dados inutilizáveis durante estudos em vivo . A reprodutibilidade e estabilidade de espectros ópticos torná-los padrões de calibração personalizável para técnicas ópticas monitorar intra e inter instrument variabilidade, particularmente em ensaios clínicos multicêntricos com diferentes instrumentos, operadores e condições ambientais8,9.
Espectros de tecido-imitando também servem como modelos físicos ajustáveis e reprodutíveis para validação dos modelos teóricos de ópticas. Simulações de auxílio no design e na otimização de na vivo instrumentos óticos, enquanto reduzindo a necessidade de animal experimentos10,11. O desenvolvimento e a validação das simulações ópticas para representar fielmente o ambiente na vivo podem ser oneradas pela complexidade da estrutura do tecido, o teor de bioquímico e a localização do alvo ou tecidos dentro do corpo. Variabilidade entre os sujeitos faz a validação dos modelos teóricos, desafiando usando medições humanas ou animais. Espectros de tecido óptico de polímero permitem validação de modelos teóricos, fornecendo um ambiente óptico conhecido e reprodutível, dedicada ao estudo de fóton migração12,13,14,15.
Calibração do sistema, com a finalidade de espectros ópticos sólidos podem consistir em uma única placa homogênea de polímero curado com a dispersão óptica, absorção ou fluorescência ajustado para os comprimentos de onda de interesse. Camadas de polímero fantasmas são frequentemente usadas para imitar a variação de profundidade das propriedades ópticas tecido no tecido epitelial modelos16,17. Estas estruturas fantasmas são suficientes para imaging epithelial e modelagem, porque a estrutura do tecido é bastante homogênea através de cada camada. No entanto, escala maior e mais complexas estruturas afetam transporte radiativo em outros órgãos. Métodos para criar fantasmas mais complexas foram desenvolvidos para simular o ambiente óptico de vasos subcutâneos18,19 e nem todo órgãos como a bexiga20. Modelagem de transporte luz nos pulmões fornece um único problema devido à estrutura de ramificação da interface ar-tecido; um fantasma sólido não teria provavelmente replicar transporte radiativa no órgão com precisão21. Para descrever um método para incorporar um fantasma ótico de estrutura complexa, descrevemos um método para criar uma árvore fractal interno, reprodutível vazio que representa a estrutura macroscópica de tridimensional (3D) da via aérea (Figura 1).
Nas últimas décadas, impressão em 3D tornou-se um método mais utilizado para prototipagem rápida de dispositivos médicos e modelos22, e espectros de tecido óptico não são excepção. Impressão 3D tem sido usada como uma ferramenta de fabricação de aditivos para fabricação de espectros ópticos com canais23, vaso sanguíneo redes24e pequenos modelos animais de todo o organismo25. Esses métodos usam um ou dois materiais da impressão com propriedades ópticas originais. Métodos também foram desenvolvidos para ajustar as propriedades ópticas do material da impressão a imitar tecido biológico geral, turvas25,26. No entanto, a gama de propriedades óticas realizáveis são limitados pelo material da impressão, normalmente um polímero como acrilonitrila butadieno estireno (ABS)26, então esse método não é adequado para todos os tecidos biológicos. Polydimethylsiloxane (PDMS) é um polímero opticamente claro que pode ser facilmente misturado com espalhamento e absorção de partículas com um maior nível de pré-definido27,28. PDMS também tem sido utilizada para moldar os phantoms com modelos de aneurisma para implantação de dispositivos embólico29,30. Esses fantasmas também utilizam uma parte impressa 3D dissolvable, mas permanecem opticamente clara para implantação de dispositivo de visualização. Aqui, nós combinamos esse método com pré-definido de propriedades óticas de PDMS com espalhamento e absorção de partículas para fabricar um modelo preliminar do tecido e das vias aéreas do pulmão murino.
Enquanto o fantasma aqui apresentado é específico para os pulmões, o processo pode ser aplicado a uma variedade de outros órgãos. Impressão 3D da estrutura interna do fantasma permite que o projeto a ser personalizável para qualquer finalidade e escala para impressão, quer se trate de um sangue ou rede de vasos linfáticos, medula óssea ou mesmo quatro septadas estrutura do coração31. Porque estamos interessados na imagem óptica e modelagem do pulmão32,33,34, nós optou por usar uma árvore fractal de quatro gerações como a estrutura interna para replicar dentro do polímero fantasma. Esta estrutura foi projetada para aproximar a estrutura de ramificação das vias aéreas e tem material de apoio partir-afastado para o processo de impressão 3D. Das vias mais anatomicamente correta poderiam ser impresso se o material de apoio partir-afastado não é necessário. Embora este modelo em particular representa uma via aérea, a estrutura interna do fantasma não tem que ficar um vazio material. Uma vez que o polímero circundante é curado e a parte impressa 3D é dissolvida, a estrutura interna pode ser usada como um caminho de fluxo ou como um molde secundário para um material com características de dispersão e própria absorção exclusiva. Por exemplo, se a estrutura interna do presente protocolo foi projetada como um osso digital ao invés de uma via aérea, a estrutura óssea pode ser 3D impresso, moldado com PDMS com propriedades ópticas do dedo e então dissolvido fora o fantasma. O vazio então poderia ser preenchido com uma mistura PDMS com propriedades óticas diferentes. Além disso, cada molde não está limitado a uma única parte solúvel. Um fantasma do dedo poderia ser criado para incluem ossos, veias, artérias e uma camada de tecido mole geral, cada um com seus próprio exclusivas propriedades óticas.
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Protocol
1. seleção e verificação das propriedades do Material matriz
- Antes de iniciar o processo de fabricação de fantasma (Figura 1), encontre a absorção e coeficientes de dispersão reduzida para os tecidos biológicos de interesse em wavelength(s) a imagem. As estimativas preliminares podem ser encontradas em referências35,36. No entanto, a validação dos coeficientes ópticos pode ser necessária.
- Usando as tabelas do Look-up para o coeficiente de absorção µae coeficiente de dispersão reduzida, µs', em 488, 535, 632 e 775 nm comprimentos de onda (tabelas 1-4 e as figuras 2– 3), selecione as concentrações de tinta nanquim e dióxido de titânio (TiO2) que aproximam-se as propriedades desejadas e ópticas. Estas receitas são específicas para fantasmas fabricadas com PDMS. Como essas tabelas fornecem dados experimentais em comprimentos de onda discretos, otimização da receita pode ser necessária para a aplicação específica.
-
Fabrica uma laje de polidimetilsiloxano (PDMS) da receita selecionada para confirmação de propriedades óticas.
- Usando uma proporção de 10:1 em peso da resina PDMS para agente de cura, despeje os ingredientes no copo de mistura na seguinte ordem: resina de PDMS, TiO2, tinta indiana, PDMS, agente de cura.
Nota: Aqui, testamos duas receitas: 1) 2 mg TiO2 + 3.5 µ l Nanquim por g PDMS e 2) 1 mg TiO2 + 10 µ l Nanquim por g PDMS. Para cada receita, resina PDMS 4,5 g e agente de cura de PDMS 0,45 g são usados com os montantes correspondentes de partículas ópticos. - Misture em um misturador de velocidade (ver Tabela de materiais) para 60 s. Se TiO2 partículas grudar a mistura xícara (provável com altas concentrações de TiO2), misturar à mão para remover as partículas da base do copo e misture na batedeira por mais 30 s.
- Despeje a mistura em poços ou caixas de Petri tornar fino (0,1-1 mm) lajes da mistura.
- Degas as lajes para 10 min, colocando-os em uma câmara de pressão negativa estanque e, em seguida, lugar em forno pre-aquecido a 80 ° C por 30-60 min. Retire do forno e deixem esfriar.
- Remova a laje de polímero de refrigeração do seu recipiente. Retire as bordas para deixar uma laje plana, uniforme. Medir a espessura da laje utilizando pinças.
- Usando uma proporção de 10:1 em peso da resina PDMS para agente de cura, despeje os ingredientes no copo de mistura na seguinte ordem: resina de PDMS, TiO2, tinta indiana, PDMS, agente de cura.
-
Medir a transmitância (T) e reflexão (R) de slab(s) usando uma esfera de Ulbricht. Instruções e detalhes adicionais podem ser encontradas no manual inverso-adicionando duplicação (IAD)37.
- Ligue a fonte de luz e espectrômetro da instalação do esfera integradora. Verifique o alinhamento do sistema para garantir um pequeno, feixe colimado é centrada sobre as portas de entrada e saída da esfera integradora.
- Calibre o sistema de esfera integradora.
- Desligue a fonte, a porta de saída da esfera integradora do tampão e gravar três espectros escuros.
- Ligue a fonte para obter a referência de transmissão com o porto de saída tampado e o porto de entrada vazio. Grave três espectros.
- Obter medições de referência de reflectância usando reflexão nesta matéria. Coloque cada norma na porta de saída da esfera. Grave três espectros para cada padrão de reflectância.
- Medir a transmitância da laje. Com a tampa na porta de saída, coloque a placa na porta de entrada da esfera integradora para a medição da transmissão. Grave três espectros.
- Medir a refletância da laje. Remova a tampa da porta de saída e coloque a placa na porta de saída para a medição de reflectância. Grave três espectros.
-
Determine propriedades ópticas, utilizando o software do IAD. Um tutorial completo sobre o software pode ser encontrado no manual do IAD com o download de software37,38.
- Média dos três espectros adquiridos para cada medição.
- Utilizando as equações no IAD manual37, converta estas medições para valores de R e T. Se necessário, condense os arquivos, reduzindo a taxa de amostragem, ao longo do espectro.
- Prepare o arquivo de entrada .rxt (1 de Material suplementar) para IAD com os comprimentos de onda, refletância, transmitância e espessura da amostra conforme descrito no manual o IAD.37. Usando o prompt de comando (Windows OS) ou terminal (Mac OS), navegue até o caminho correto. Digite "iad ' entrada nome do arquivo'" para executar o IAD. O software irá produzir um arquivo de texto de saída com os estimado propriedades óticas.
- Se as propriedades ópticas não estão dentro de uma faixa aceitável (~ 15%) dos valores desejados, modificar a receita em conformidade e repita etapas 1,3-1,5.
2. preparação do 3D Dissolvable impresso estrutura interna
- Estrutura interna do projeto usando computador auxiliado por software design (CAD). Converta o modelo de estrutura sólida para um arquivo de estereolitografia para fabricação em uma impressora 3D. Se disponível, uma segmentado tomografia computadorizada também pode ser convertida em um arquivo de estereolitografia em vez de desenho de um modelo sólido de estrutura interna.
Nota: O arquivo de CAD para a estrutura de árvore fractal usada aqui é fornecido em 2 de Material suplementar. A impressora utilizada neste trabalho é uma impressora de extrusão, para que a parte foi projetada para ter o material de apoio partir-afastado. - Selecione um material solúvel para impressão, tais como álcool poli vinil (PVA) ou poliestireno de alto impacto (HIPS) (ver Tabela de materiais). Imprima o modelo sólido neste material solúvel.
- Quando as peças impressas são suficientemente arrefecidas, quebrar, dissolver ou o material de apoio, fora a parte impressa da máquina. Arquivo ou areia fora qualquer grandes imperfeições.
-
Vapor de polir a parte impressa para reduzir a rugosidade da superfície.
- Com a parte impressa garantida em uma morsa, fazer um furo com afastamento por um arame de aço ou nitinol fino na base da parte impressa.
- Passe um aço inoxidável ou fio de nitinol através do buraco. Dobre as pontas do fio e ligar juntos. Isto permitirá a parte ser totalmente imerso no vapor da acetona dentro do copo. Conjunto de fio e parte à parte.
- Encha um copo grande aproximadamente 10% de acetona. Colocar o copo sobre um prato quente enquanto aquecimento a 100 ° C. Atenção: Execute esta etapa em uma coifa para evitar a inalação de vapor da acetona.
- Quando acetona alcances de condensação de vapor sobre no meio do caminho, até a parede do copo, pendure o fio loop com via aérea simulada em um segundo fio e suspender em vapor de acetona de 15 a 30 s. Verifique impresso peças não toque o copo paredes ou cada outro (se de vapor de polimento várias partes de uma só vez).
- Remover a parte impressa e suspender sobre copo vazio ou recipiente. Deixe secar pelo menos 4 h-parte.
- Verifique se que as dimensões da estrutura interna estão dentro da tolerância para o desenho do CAD, conforme necessário. Dependendo dos requisitos de precisão, pinças ou um scanner a laser 3D pode ser usado para medir a estrutura.
3. construção do molde resistente ao calor
Nota: Prepare um molde estanques, resistentes ao calor para formar o fantasma PDMS. Selecione uma geometria do molde para caber melhor o desenho final do fantasma. Aqui, um molde retangular reutilizável é descrito.
- Projete uma base sólida de modelo do molde para impressão 3D. Este molde é projetado para um fantasma com uma base de 1,17 x 1,79 cm. A base do molde tem um 1 mm de espessura e profundo recesso de 5 mm com dimensões internas correspondentes a base do fantasma. Isso permite que o molde para tapumes a ser removido e o molde para ser desmontada e re-utilizados.
- Imprima uma base para o molde com um baixo-relevo de largura suficiente para fixar os tapumes do molde.
- Colocar tapumes nos recessos da base de molde. Aqui, 1 mm espessura de policarbonato é usados como tapumes de molde.
- Usando fita resistente ao calor, sele as bordas do molde. É imperativo que todos os cantos e bordas são suficientemente seladas com nenhuma bolha a fita para evitar qualquer perda durante o processo de moldagem.
- Coloque uma placa de policarbonato base dentro do molde preparado no passo 3.4. Esta placa de base é a mesma folha de policarbonato espessura 1 mm como o tapume de molde e dá a base fantasma uma superfície lisa, sem a rugosidade da superfície impressa 3D da base do molde. Cola o vapor seco totalmente polido parte à placa de base. Permita tempo suficiente para a cola secar.
4. fabricação de polímero Phantom
Nota: Use a receita verificada para o material de matriz em massa determinado na etapa 1 para a aplicação específica. O protocolo aqui fornece as etapas para um tecido pulmonar saudável murino fantasma em 535 nm com µs' de 40 cm-1 e µum de 2 cm-1. Pode ser útil fabricar um segundo fantasma sem partículas óptico para usar como uma referência no processo de fabricação.
- Despeje um copo de misturando plástico 9,1 g de resina PDMS. Adicione 20 mg de rutilo TiO2, seguido de 35 µ l de tinta nanquim. Por fim, adicione 0,91 g de agente para o topo da mistura de cura. Siga o protocolo misturando na etapa 1.3.2.
- Despeje a mistura do polímero final no molde resistente ao calor.
- Despeje uma pequena quantidade da mistura em um recipiente separado para criar uma laje de polímero para confirmação das propriedades ópticas do material. Certifique-se de que suficiente polímero é derramado para ter uma laje pelo menos 100 µm de espessura.
- Coloque tanto o molde de simulação das vias respiratórias e a laje separada em uma redoma de vidro para desgaseificação. Inicie o processo de vácuo. Se o polímero no molde simulação aérea começa a levantar-se, deixe o ar entrar a redoma de vidro para estourar as bolhas de superfície, então, começa a puxar o ar novamente. Repita este processo até que o polímero não aumentar significativamente. Isto levará entre 5-10 min, dependendo de quanto ar foi preso durante a etapa de 4.2. Uma vez que o PDMS já não se levanta, continue desgaseificar por mais 15 minutos.
- Após a desgaseificação, deixe lentamente o ar volta para a câmara. Remover via aérea simulada fantasma e a laje de polímero e coloque no forno nível a 80 ° C durante 2 h.
- Retire o fantasma e a laje do forno e deixe esfriar por 20 min. Desmonte o molde de polímero com um bisturi sem cortar o polímero curado. Encaixe a placa de base fora da base de simulação aérea.
- Coloque o fantasma numa banheira aquecida (60 ° C) ~0.5 M de hidróxido de sódio (NaOH) base até a parte interna é totalmente dissolvida. Um fantasma opticamente clara referência pode ajudar a determinar o tempo de dissolução para o componente interno. Uma vez que a estrutura interna é dissolvida, leve fantasma fora da banheira e deixe secar totalmente (~ 24 h) antes de se proceder às medições ópticas.
5. verificação da fabricação fantasma
- Verificar a geometria fantasma usando alta resolução ressonância magnética (MRI) ou microtomografia computadorizada (CT) imagens, se desejado. Esses métodos fornecem uma verificação 3D de estruturas internas dentro material turvo com resoluções axiais de < 400 µm39,40. Alternativamente, um fantasma opticamente clara referência pode ser opticamente fotografado para verificação de que a parte impressa é totalmente dissolvida e o restante vazio é a geometria correta.
Nota: Podemos ter verificado a geometria interna de um phantom opticamente opaco (2 mg TiO2 + 3.5 µ l tinta indiana) com micro-CT em uma estrela do Norte Imaging (NSI) X50. O fantasma foi fotografado com resolução de 20 µm em todas as dimensões (suplementar de materiais de 3, 4). - Verifique se as propriedades ópticas do fantasma usando a laje de polímero e a esfera de Ulbricht (descrito nas etapas 1.5-1.6).
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Representative Results
Para demonstrar a técnica de fabricação de fantasma, fantasmas de tecido de pulmão de rato foram fabricadas para simular medidas propriedades ópticas do tecido excisado pulmão saudável e inflamado de murino em 535 nm (tabela 5). Este comprimento de onda de interesse é o comprimento de onda de excitação para tdTomato proteína fluorescente usado em cepas de repórter recombinante de micobactérias em anteriores estudos33. Foram obtidas medidas ópticas do tecido do pulmão do rato com os mesmos métodos descritos nos passos 1.4-1.5. Utilização de animais foi aprovada pelo Comitê de uso (IACUC) na Texas A & M University e institucional Cuidado Animal. Uma relação adequada de TiO2 a tinta da Índia foi encontrada para ambos saudável e inflamado tecido de pulmão murino para 535 nm de comprimento de onda de luz (tabela 5).
Receitas para materiais com diferentes propriedades ópticas são mostradas nas tabelas 1-4 e graficamente nas figuras 2-3. A dependência da absorção e espalhamento sobre a concentração de partículas são resumidas na Figura 4. Tendências no coeficiente de absorção e coeficiente de dispersão reduzida para fantasmas com uma concentração constante de TiO2 (partículas de espalhamento) (Figura 4A, 4B) e uma concentração constante de tinta nanquim (absorção de partículas ) (Figura 4C, 4 D) demonstram a relação de propriedades ópticas para ambas as partículas. Para garantir a reprodutibilidade dessas propriedades ópticas, técnica de mistura adequada deve ser usada. Fixando-se e ribboning de TiO2 partículas causará uma mudança no coeficiente de dispersão do fantasma curado (Figura 5). Tinta nanquim mancha o recipiente de mistura também irá reduzir o coeficiente de absorção.
Os phantoms de pulmão foram projetados usando uma estrutura de árvore fractal para o vazio interno (Figura 1C). A estrutura 3D impressa deve ser vapor lustrado para criar uma superfície interna lisa dentro o phantom (Figura 1E). A Figura 6 mostra uma comparação de luz espalhamento de um fantasma que não foi desgaseificado ou vapor polido (Figura 6A, C), e um fantasma que tinha um vapor lustrado a parte interna e foi desgaseificados (Figura 6B, D 6). Os phantoms foram fotografados usando a iluminação de uma fonte luz branca externa (Figura 6A, 6B) e com uma fonte interna de microendoscope em 535 nm (Figura 6C, 6 D). Vapor de polimento e desgaseificação minimizar a presença de dispersão da reprodutíveis, incluindo a rugosidade da superfície (Figura 6C, inserir 2) e bolhas (Figura 6C, 1 de encastrar). Desgaseificação é particularmente importante, porque a localização de bolha de ar é aleatório e imprevisível. Além disso, ar bolhas são obscurecidas quando TiO2 partículas são incorporadas (não mostrado na Figura 6), tornando o fantasma opticamente opaco. Portanto, invisíveis bolhas possam comprometer a representação do material fantasma das propriedades ópticas do tecido.
A parte impressa 3D vapor polido foi medida com pinças na base e no ramo distal e dimensões são comparados com o modelo sólido 3D na tabela 6. Após a fabricação do polímero fantasma, o fantasma foi fotografado usando um sistema de imagens de micro-CT (3 de Material suplementar). Usando o conjunto de dados 3D, dimensões do vazio interno na base e distais ramos foram medidas para comparação (tabela 6). A árvore polido de vapor é ligeiramente menor na base porque o alisamento da superfície pelo vapor da acetona faz com que a superfície do plástico a fluir. Com a parte impressa 3D suspendida pela base, a superfície flui para os ramos distais, causando uma pequena mudança na dimensão da parte. Há um trade-off entre a lisura de superfície e mantendo o tamanho de parte. Um polonês de vapor mais resultará em uma superfície mais lisa, mas fará com que o material mais fluxo, resultando em dimensões alteradas.
Os phantoms foram fotografados em um na vivo de imagem de sistema com uma porta de acesso para a inserção de um feixe de fibras de microendoscope (Figura 7). O microendoscope foi colocado no vazio dentro os phantoms do qual se dissolvera a parte impressa. O microendoscope foi usado para a iluminação interna em 535 nm e o caminho da iluminação IVIS foi bloqueado. A colocação do microendoscope é indicada na Figura 7A. A IVIS foi usado para coleta externa de sinal. Os Phantoms fotografados tinham a mesma estrutura interna, como aqueles cuja imagem na Figura 3. Com idênticas estruturas internas e dimensões externas, a diferença nas propriedades ópticas entre o tecido pulmonar saudável (Figura 7A) e tecido pulmonar infectado (Figura 7-B) pode ser apreciada em da superfície irradiância do Phantoms. Como esses fantasmas mantêm uma resposta adequada a uma mudança nas propriedades ópticas, esse método para a fabricação de fantasma pode ser aplicado para fantasmas utilizadas em estudos de iluminação interna.
Figura 1: Diagrama de fluxo de de fabricação do tecido óptico fantasma. (A) Determine a receita ideal para propriedades óticas de alvo do tecido de interesse. (B) verificar a receita. (C) Design estrutura interna. (D) imprimir estrutura interna usando material solúvel. (E) Vapor polonês parte impressa a superfície lisa. (F) mistura de polímero e partículas ópticas e despeje no molde resistente ao calor. (G) Degas e cura polydimethylsiloxane (PDMS). (H) dissolva parte impressa para criar vazio interno. (I) verificar geometria fantasma e propriedades óticas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Tendências no coeficiente de absorção de tinta da Índia e TiO2 concentração. Coeficientes de absorção são mostradas para uma gama de tinta nanquim e dióxido de titânio concentrações em 488 nm (A), 535 nm (B), 630 nm (C)e 775 nm (D). Absorção é baixa para baixas concentrações para ambas as partículas e geralmente aumenta as concentrações de partículas de cada. Um platô é alcançado entre a tinta de India 5 – 7,5 µ l / mL PDMS. A taxa de aumento depende da concentração da outra partícula e o comprimento de onda. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Tendências em coeficiente de dispersão reduzida para concentração de tinta da Índia e TiO2 . Coeficientes de dispersão reduzida são mostradas para uma gama de tinta nanquim e dióxido de titânio concentrações em 488 nm (A), 535 nm (B), 630 nm (C)e 775 nm (D). O coeficiente de dispersão reduzida é baixo para baixas concentrações para ambas as partículas e geralmente aumenta com a concentração de cada um. Como a absorção, a taxa de aumento depende da concentração da outra partícula e o comprimento de onda. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4 : Interdependência das propriedades ópticas na tinta da Índia e TiO de concentração2 . Coeficientes de absorção e espalhamento reduzido coeficientes são mostrados para receitas com uma concentração de2 TiO constante de 1 mg/mL PDMS (A, B) e Índia constante concentração de PDMS de 5 µ l/mL de tinta (C, D). Painel (B) mostra que coeficiente de dispersão vai mudar com uma concentração de2 TiO constante quando a concentração de tinta indiana é variada, e painel (C) mostra que esse coeficiente de absorção mudará para uma constante concentração de tinta nanquim Quando o TiO2 é variada. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: mistura efeitos na dispersão óptica. Mistura inadequada do polímero não polimerizado e partículas ópticas pode resultar em uma mudança nas propriedades ópticas. O fantasma mal misto representado nesta figura mostrou a sedimentação de partículas de2 TiO antes da cura. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6 : Fantasmas representativa das vias aéreas com material de coeficiente de dispersão baixa para ilustrar a fabricação bem sucedida e suboptimal. Vapor de polimento e desgaseificação é etapas integrantes em produzir um fantasma que tem elementos de mínima dispersão descaracterizada. (A-B) Branca luz imagens de fantasmas, sem vapor, polimento e desgaseificação (A) e com vapor de polimento e desgaseificação b. (C-D) Fantasmas de A-B são iluminadas com luz de nm 535. Inserções de (C) são mostradas para descrever os efeitos de dispersão de bolhas de ar) 1 e 2) uma superfície impressa 3D áspera. (E) processamento de uma simulação óptica baseado no computador auxiliado por projeto (CAD) modelo usado para a fabricação de fantasma. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7 : De imagens de fantasmas com iluminação interna. Uma simulação de computador da fantasma (A) demonstra a orientação da interna fonte e geometria colocação (estrela amarela) para as imagens fantasmas em painéis (C) e (D). A segmentado microtomografia computadorizada do tecido pulmonar saudável fantasma (B) confirma a estrutura interna está presente no fantasma opticamente opaco. A simulação das vias aéreas é usada como um caminho para o endoscópio para iluminação interna dos phantoms ópticos no comprimento de onda de 535 nm. Os dois fantasmas fotografados com iluminação interna são idênticos na forma externa e estrutura interna, com material, propriedades óticas otimizado para saudável (C) e inflamação do tecido pulmonar (D) . Todas as imagens e representações são na mesma escala. Barra de escala = 1 cm (painel C). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Tabela 1: Tabela do Look-up para 488 nm.
Tabela 2: Tabela do Look-up para 535 nm.
Tabela 3: Tabela do Look-up para 632 nm.
Tabela 4: Tabela de consulta para 775 nm.
| Coeficiente de absorção (cm-1) | Reduzida dispersando o coeficiente (cm-1) | |
| Tecido de pulmão saudável do mouse | 2.05 ± 0,58 | 52.69 ± 7,83 |
|
Fantasma saudável (2 mg TiO2 + 3.5 Nanquim µ l) |
1,96 ± 0.699 | 49.66 ±.12 |
| Tecido de pulmão inflamado do mouse | 5.49 ± 1,32 | 38.94 ± 9.68 |
|
Inflamadas fantasma (1 mg TiO2 + 10 µ l Nanquim) |
4,34 ± 0.873 | 39.56 ± 5,02 |
Tabela 5: Medidas propriedades óticas de fantasmas receitas correspondem às propriedades ópticas medidas de tecido de pulmão saudável e inflamado do mouse em 535 nm.
| Diâmetro de base (mm) | Diâmetro do ramo distal (mm) | |
| Modelo sólido | 2.7 | 1.38 |
| Vapor de impressão polido | 2.56 ± 0,026 | 1.38 ± 0.141 |
| Molde PDMS (medido do CT) | 2,55 ± 0.021 | 1.39± 0,055 |
Tabela 6: Verificação da estrutura interna do fantasma.
1 de Material suplementar: arquivo de entrada de exemplo IAD. Clique aqui para baixar este arquivo.
2 de Material suplementar: Fractal árvore das vias sólido modelo. Clique aqui para baixar este arquivo.
3 de Material suplementar: Micro-CT voar-através do tecido do pulmão saudável do mouse modelagem fantasma. Clique aqui para baixar este arquivo.
4 de Material suplementar: vídeo de rotativas segmentadas microtomografia. Clique aqui para baixar este arquivo.
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Discussion
Temos demonstrado um método para criar espectros ópticos para representar um pulmão murino com uma estrutura interna de ramificação para simular a interface ar-tecido interno. As propriedades ópticas do tecido pulmonar murino são alcançadas, incorporando exclusivas concentrações de opticamente espalhamento e absorção de partículas distribuídas homogênea dentro do polímero de matriz em massa. Estas propriedades ópticas podem ser ajustadas para imitar os valores fisiológicos dentro de intervalos espectrais diferentes dos tecidos em diferentes Estados-Membros (ou seja, saudável contra o tecido doente). As propriedades ópticas são dependentes do comprimento de onda de interesse, o material de base e as concentrações de partículas dentro do fantasma. No entanto, com várias partículas, a relação entre a dispersão e a absorção não é sempre intuitivo41. A taxa de aumento de absorção é dependente da concentração da partícula de dispersão, bem como a absorção das partículas e da mesma forma para a taxa de aumento do coeficiente de dispersão reduzida. (Figuras 2-4). Fantasmas PDMS também se mostraram para manter suas propriedades óticas por até 1 ano27,28. Medimos uma estabilidade de 3 semanas de propriedades óticas dentro o erro de nossas medições de esfera integradora (< % de 15). Armazenamento destes fantasmas e padrões em um recipiente a prova de luz pode ajudar a preservar suas propriedades ópticas por longos períodos de tempo.
Vapor de polir a parte impressa dissolvable permite uma superfície lisa pode ser reproduzida na interface de ar interno do fantasma (Figura 6). Para a geometria fractal mostrada aqui, a estrutura interna de polimento rendeu uma diminuição da rugosidade da superfície média de PDMS moldado de 37,4 µm para 7.2 µm. Isto é extremamente importante se o fantasma é usado para validação de uma simulação óptica porque uma superfície áspera é muito mais difícil de simular com precisão do que uma superfície suave e uniforme (Figura 6E). Desgaseificação também é muito importante devido ao fato de que pequenas bolhas dentro o phantom PDMS atuam como dispersão da óptica (Figura 6C, 1 de encastrar). Localização de bolha não é previsível para replicar em uma simulação e poderia distorcer resultados se o fantasma é usado como um padrão de calibração.
Após a verificação com o micro-CT, uma pequena quantidade de material residual foi encontrada dentro do vazio das vias aéreas (3 de Material suplementar). Além disso, uma segmentação desta mesma tomografia computadorizada revela uma bolha de ar pequena ao lado da estrutura de ramificação (4 de Material suplementar). Durante a fabricação, os phantoms opticamente claros renderam uma completa dissolução do material da estrutura interna e sem bolhas de ar dentro da matriz do polímero. Verificação com micro-CT mostrou que os phantoms opticamente opacos podem conter pequenas falhas, caso contrário não é visíveis.
Corretamente, misturando as partículas ópticas com o polímero não polimerizado é imperativo alcançar dispersão e absorção óptica reprodutível e previsível. Uma mudança no coeficiente de dispersão reduzida causada por mistura pobre é mostrada na Figura 5. Antes de derramar o polímero no molde, certifique-se de não há nenhuma evidência de TiO2 partículas fixando-se, ou "ribboning" na mistura e nenhuma evidência de Nanquim mancha o recipiente de mistura. Adicionar as partículas na ordem recomendada deve minimizar estes problemas.
O design desses fantasmas é limitado pela parte impressa 3D. A simulação das vias aéreas é projetada para que o material de apoio pode ser erguido fora, pois não é solúvel. Isto pode ser superado por se mudar para uma impressora mais avançada que pode também imprimir materiais com variação de solubilidade, ou uma impressora sinterização a laser, que não precisa de suporte material. Também é importante notar que o pulmão é inerentemente um órgão muito poroso, por causa das vias aéreas distais e alvéolos. Enquanto isso não é representado neste fantasma, os efeitos ópticos das estruturas semelhantes foram observados usando uma jangada de bolha Bragg-Nye por tomografia de coerência óptica21, bolhas de ar no óleo verde-oliva,42e creme de barbear ou detergente para ressonância nuclear magnética de imagem43. Criação de espumas de polímero com características reprodutíveis pode ser capaz de conciliar esta diferença entre os phantoms sólidos apresentados aqui e o pulmão microestrutura44.
A forma do fantasma final também pode ser personalizada dependendo da aplicação. O fantasma retangular mostrado aqui foi fotografado com iluminação interna e usado para validação de um modelo computacional de pulmões sadios e infectados (Figura 7). Este projeto pode ser atualizado mais para representar o torso cilíndrico do mouse simplesmente alterando o desenho do molde de polímero externo.
Enquanto temos detalhados aqui a concepção de um pulmão murino e o fantasma das vias respiratórias, estes métodos podem ser modificados para caber a outros órgãos ou animais de interesse. A estrutura interna pode ser convertida para um caminho de fluxo para fantasmas vasculares, ou pode ser usada como um molde para uma estrutura interna complexa com propriedades ópticas originais. A forma geral do fantasma também pode ser ajustada para o aplicativo, animal ou órgão de interesse. Impressão 3D de estruturas internas e moldes de polímero dá liberdade para o processo de concepção de espectros ópticos de polímero estruturado. Estas são ferramentas integrais em simulação validação e calibração de vivo em técnicas de imagem óptico, porque eles podem representar com mais precisão o ambiente na vivo que phantoms simples ou multi-camados homogêneos.
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Disclosures
Os autores não têm nada para divulgar.
Acknowledgments
Este trabalho foi financiado pela National Science Foundation carreira prêmio n. Não concedem a CBET-1254767 e Instituto Nacional de alergia e doenças infecciosas. R01 AI104960. Reconhecemos com gratidão o Patrick Griffin e Dan Tran por sua assistência com medidas de caracterização e a Texas A & M laboratório de patologia Cardiovascular para a imagem latente de micro-CT.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Dow Corning Sylgard 184 Silicone Encapsulant Clear 0.5 kg Kit | Ellsworth Adhesives | 184 SIL ELAST KIT 0.5KG | Polydimethylsiloxane: polymer base for optical phantoms |
| White Rutile Titanium Dioxide powder | Atlantic Equipment Engineers | TI-602 | Scattering particles for optical phantoms |
| Higgins Fountain Pen India Ink | Michaels Craft Stores | 10015483 | Absorbing particles for optical phantom |
| Heat Resistant tape | Uline | S-7595 | Heat resistant tape for polymer molds |
| Fortus 360mc 3D printer | Stratasys | N/A | Able to switch build and support material with this model printer |
| ABS Ivory Model Material | Stratasys | SDS-000001 | Material for printing mold parts and/or using as support for printing internal structure |
| SR-30 Soluble Support | Stratasys | 400638-0001 | Base soluble support material for printing internal structure |
| Flacktek Speedmixer | Flacktek Inc. | DAC 150.1 FV | For efficient mixing of polymer and particles |
| Integrating sphere | Edmund Optics | 58-585 | For measuring optical properties |
| Polycarbonate build plates (1 mm) | Stratasys | N/A | Used polycarbonate build plates from Stratasys printer can also be used |
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